新型量子點在食品分析檢測領域中的應用

王蓓蓓，阮曉娟，馬美湖，蔡朝霞*

(國家蛋品加工技術研發(fā)分中心，華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070)

20世紀80年代，納米科學技術的出現(xiàn)標志著人類科學技術水平已進入到一個新的階段。納米技術的發(fā)展有力地推動信息、材料、能源、生命、環(huán)境、農(nóng)業(yè)以及國防等領域的技術創(chuàng)新，導致21世紀的一次新的技術革命[1]。熒光探針標記技術是納米生物光子學領域中應用最廣的技術，目前常用的熒光探針主要包括有機染料、量子點、熒光蛋白、膠體金和硅顆粒等[2]。其中，量子點作為一種新型的半導體納米晶體，因其具有獨特優(yōu)越的光學、電子和表面可修飾性等性質(zhì)，已成為納米生物光子學領域的研究熱點，被廣泛應用在生物標記領域，并極大地促進了納米生物光子學的研究進展。

本文重點對新型量子點納米熒光探針技術及其應用進行綜述，包含量子點的特殊性質(zhì)分析，組成結(jié)構(gòu)、制備方法、表面修飾，量子點應用中的主要弊端及改進方法以及量子點的熒光標記技術在食品安全檢測和食品營養(yǎng)成分檢測的應用分析，旨在為食品檢測與分析技術的發(fā)展提供一定的參考。

1 量子點的獨特光學性質(zhì)

1.1 量子點的基本性質(zhì)

量子點(quantum dot)，又稱作半導體納米晶體，主要是由Ⅱ～Ⅵ族(CdS、CdSe、CdTe等)或者Ⅲ～Ⅴ族元素(如InP、InAs等)等化學元素構(gòu)成的納米顆粒[3]。其中CdX(X=Se、S、Te等)為目前研究較多應用較廣的量子點。

量子點粒徑小(1～20nm)，電子和空穴被量子限域，連續(xù)能帶變成具有分子特性的分立能帶結(jié)構(gòu)，因而能發(fā)出熒光，并且相比于傳統(tǒng)的熒光染料有獨特的優(yōu)勢。具體表現(xiàn)在：1)量子點的發(fā)射波長可通過控制它的尺寸和組成來調(diào)諧；而一種熒光染料的熒光發(fā)射波長通常是固定的。2)量子點具有寬的激發(fā)波長，而傳統(tǒng)熒光染料的激發(fā)光波長較窄，因此不同大小的量子點可以由同一波段激發(fā)光同時激發(fā)，產(chǎn)生不同顏色的熒光。3)量子點的熒光發(fā)射峰窄、對稱、重疊??；而普通的熒光染料探針發(fā)射峰寬且不對稱，并存在紅移拖尾，光譜相互重疊，檢測時容易產(chǎn)生干擾。4)量子點的熒光強度及穩(wěn)定性是普通熒光染料的100倍左右。5)修飾后的量子點具有很好的生物相容性，尤其是水溶性量子點可直接用于生物標記和檢測[4-5]。

1.2 具有特殊性質(zhì)的量子點

1.2.1 核殼結(jié)構(gòu)量子點

核殼結(jié)構(gòu)的量子點是指在單核量子點表面覆蓋一層物質(zhì)，形成一種核心-外殼結(jié)構(gòu)的量子點，外殼不僅能保護核心，還能為進一步修飾提供條件。覆蓋的物質(zhì)主要是晶體結(jié)構(gòu)相似、寬帶隙的半導體材料，能夠鈍化表面無輻射重組位置，減少表面缺陷，改善量子點光學性質(zhì)。目前己合成了多種核-殼型量子點如(CdS/ZnS、CdS/ZnO、CdTe/CdS、CdSe/ZnS、CdSe/CdS等)以及多層結(jié)構(gòu)的量子點(CdS/HgS/CdS、CdSe/ZnSe/ZnS)等。在有機相制備的CdSe/ZnS、CdSe/ZnS等核殼材料，明顯提高了CdSe量子點的量子產(chǎn)率和穩(wěn)定性。而利用水相方法制備核殼結(jié)構(gòu)的量子點也一直是人們關注的焦點。孫聆東等[6]采用水熱法合成核殼結(jié)構(gòu)的CdS/ZnO量子點。謝穎等[7]用L-半胱氨酸作為穩(wěn)定劑合成水溶性的CdSe/ZnS量子點，比較吸收光譜和熒光光譜發(fā)現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)的CdSe/ZnS量子點的發(fā)光性質(zhì)要優(yōu)于單一的CdSe量子點。

1.2.2 多色量子點

量子點隨著粒徑的增大，發(fā)射波長紅移，因此可通過反應條件控制量子點的光學性質(zhì)，從而得到具有不同發(fā)射波長的量子點。Gaponi等[8]采用水相方法合成CdTe量子點時發(fā)現(xiàn)要想得到較大發(fā)射波長的量子點大概需要2～3d的時間，而加熱時間過長不僅使操作變得復雜也會使量子產(chǎn)率降低。實驗室課題組[9]前期工作中改進了水相合成法，將量子點與NaOH溶液共同溫浴，合成CdTe/Cd(OH)2量子點，2h內(nèi)就能得到量子產(chǎn)率高，波長在525～595nm范圍的多色量子點，為短時間水相合成粒徑較大的量子點提供了思路。此外，Jin Li等[10]將二氧化硅包覆不同數(shù)量的量子點，從而形成具有不同光譜特征和亮度特征的熒光編碼微球，提高了其穩(wěn)定性，為量子點多色標記提供一種方法。

1.2.3 近紅外量子點

近紅外量子點是指最大發(fā)射波長在近紅外區(qū)域，尺寸較大的半導體納米晶體。一般由Ⅱ～Ⅵ族元素(CdHgTe、CdTeSe、CdTeSe/CdS)或Ⅲ～Ⅴ族元素(InAs、InAsxP1-x)組成。近紅外量子點具有很高的組織穿透性，而且血紅蛋白、脂肪和水對近紅外波長的吸收保持在一個比較低的水平，因此在生物熒光標記中有著更大的優(yōu)勢，可明顯降低生物背景熒光干擾、減少光線對機體的灼傷并能用于深層組織標記等。

目前，采用水相法制備大尺寸的近紅外量子點往往出現(xiàn)發(fā)射光譜寬、峰形不對稱、發(fā)光效率低等問題。很多學者在研究改進的方法。Li Liang等[11]用微波法合成近紅外量子點，最大波長可達到733nm。Piven等[12]報道了一種合金型量子點CdSexTe1-x的合成方法，其發(fā)射波長可達到690nm。合金型量子點的發(fā)光性質(zhì)與其組成成分緊密相關，控制納米粒子的組成，可以得到不同發(fā)射波長的量子點。

1.3 目前量子點應用中的主要弊端及改進方法

水相法合成的水溶性量子點具有很多優(yōu)點，如使用的試劑綠色環(huán)保、操作簡單、重現(xiàn)性好，最重要的是其表面親水性質(zhì)能直接應用于生物領域，但是水溶性量子點存在量子產(chǎn)率和穩(wěn)定性不高等缺陷。因此，如何制備高穩(wěn)定和高量子產(chǎn)率的親水性量子點一直是研究者關注的方向。

1.3.1 提高量子點熒光量子產(chǎn)率的方法

量子產(chǎn)率主要由量子點的表面性質(zhì)決定。目前主要依靠在合成的過程中優(yōu)化反應條件、對其表面進行包覆和修飾從而提高其熒光量子產(chǎn)率。

Guo Xiaohu等[13]研究發(fā)現(xiàn)巰基穩(wěn)定劑與前體Cd2+的比例會影響量子點的量子產(chǎn)率。Li Liang等[14]在研究中發(fā)現(xiàn)，合成溶液的pH值會對CdTe量子產(chǎn)率造成影響。Qian Huifeng等[15]以谷胱甘肽為穩(wěn)定劑合成量子點，優(yōu)化了pH值、Cd2+和谷胱甘肽的配比，在pH8、Cd2+與谷胱甘肽比例2：5時，量子產(chǎn)率達到62%。Bao Haobo等[16]在水溶性的CdTe量子點表面修飾了一層寬帶隙的CdS層，得到了量子產(chǎn)率80%的核殼結(jié)構(gòu)量子點。Zeng Qinghui等[17]通過控制CdTe量子點外面CdS層的厚度，可以將量子產(chǎn)率從8%提高到40%。

1.3.2 量子點的穩(wěn)定性和安全性

量子點在實際應用中還存在穩(wěn)定和安全方面的問題。其熒光對于表面狀態(tài)非常敏感，某些緩沖液或極端化學環(huán)境會使量子點熒光猝滅。另外還可能由于光氧化作用釋放出有害的重金屬離子[18]。解決量子點穩(wěn)定性和安全性，主要的方法是在其表面包覆一層無機材料，改善其光學性質(zhì)。

二氧化硅是一種常見的包覆材料，具有無毒、易被功能性基團修飾、可抵御溶液侵蝕防止量子點中重金屬離子泄漏[19]、容易離心分離等優(yōu)點[20]。量子點表面包裹一層二氧化硅后，會有效減少團聚，并能防止其他雜質(zhì)吸附到量子點表面從而保持量子點的發(fā)光穩(wěn)定性。Kirchner等[21]報道CdSe量子點表面包被二氧化硅后，可以有效地避免重金屬接觸到基因分子，從而實現(xiàn)無毒性的成像和位點識別。Zhelev等[22]制備的包裹一個量子點的二氧化硅微球，在5μmol/L濃度和48h內(nèi)對細胞沒有明顯毒性。

量子點表面包被二氧化硅的方法有St?ber法和反相微乳法兩種，其中反相微乳法合成的CdTe/SiO2復合粒子熒光強、尺寸均勻，且表面光滑。Knopp等[23]采用此法在量子點表面包覆硅層可產(chǎn)生30～150nm的均一單分散性的硅球。Jin Li等[10]合成的CdTe/SiO2復合粒子熒光性略有下降但是穩(wěn)定性和抗氧化性增強。Yang Yunhua等[24]在包被過程中發(fā)現(xiàn)加入電解質(zhì)可以增加硅球中的CdTe量子點的數(shù)量，從而得到了含有多個量子點的二氧化硅微球，相比于只含單個量子點的硅球，進一步提高了熒光強度，此外還對量子點硅烷化的機理及影響包被在硅球內(nèi)部的量子點數(shù)目的相關因素進行了探討。

2 量子點在食品檢測分析中的應用

2.1 量子點在食品安全檢測中的應用

發(fā)展準確、快速、簡便并且靈敏的分析檢測技術對于解決食品安全問題具有非常重要的意義。目前食品檢測分析一般采用化學分析法、薄層層析法、氣相色譜法、高效液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、酶聯(lián)免疫吸附法等[25]。但其中一些方法存在檢測時間長、靈敏度不高、樣品前處理麻煩及對樣品基質(zhì)的抗干擾能力不強等缺陷，難以滿足實際檢測的需求[26]。而基于量子點的熒光檢測方法彌補了這些缺陷，越來越多地被應用在現(xiàn)代食品分析檢測中。

2.1.1 量子點應用于食源性菌的檢測

食源性菌是導致食品安全問題的首要因素。目前許多相關的研究報道有效結(jié)合量子點的多色熒光與生物學免疫標記，能夠快速高效靈敏地檢測食品中的毒素和食源性菌[27]。

Xue Xiuheng等[28]利用量子點與細菌的相互作用，通過檢測其熒光強度的變化，直接檢測菌落數(shù)總量，其靈敏度是傳統(tǒng)平板計數(shù)法的10～20倍。但量子點與細菌的直接結(jié)合很容易受到環(huán)境的影響，因此以量子點為熒光標記檢測食源性菌的方法更多的是與生物學免疫技術相結(jié)合，提高抗干擾能力和檢測靈敏度。其原理是將量子點與目標菌的抗體偶聯(lián)，形成熒光探針，通過免疫反應，目標菌與量子點上偶聯(lián)的抗體特異性結(jié)合，通過檢測熒光信號間接檢測出細菌的總量。也可以通過量子點與待檢測細菌分泌的特殊物質(zhì)如毒素、凝集素等來檢測細菌的含量。Warner等[29]使用免疫熒光三明治的方法來檢測A行神經(jīng)毒素，檢測限為5pmol/L。

利用多色量子點標記多種抗體，同步檢測食品中多種毒素或食源性菌能夠有效縮短檢測時間，提高檢測效率。Goldman等[30]利用CdSe/ZnS核-殼量子點進行多重免疫熒光測定，在一個微孔板上同時檢測4種毒素，實驗中使用每種毒素相應的抗體以達到實驗的特異性。4種毒素中最低的檢測限為3μg/L。雖然檢測中存在抗原抗體間的非特異交叉反應，對實驗的靈敏度有一定的影響，但是此方法為多色量子點的多組分同步檢測的可行性提供了依據(jù)。

為了實現(xiàn)快速、高靈敏地檢測復雜樣品中的待測組分，眾多研究組又將多色熒光標記與免疫磁性分離技術結(jié)合，先利用磁性納米微球?qū)⒛繕司鷱臉悠分蟹蛛x，使目標菌富集再進行多色熒光標記的免疫結(jié)合。Yang Liju等[31]、Wang Hong等[32]用鏈霉親和素與生物素之間的特異性實現(xiàn)量子點和抗體的偶聯(lián)，而Zhao Yu等[33]利用量子點表面上的羧基與抗體的氨基實現(xiàn)共價偶聯(lián)，并在磁性納米粒子上包被二氧化硅，通過戊二醛的催化連接上抗體。Yang Liju等[31]在檢測時，用一步加入法和分步法來確定抗體與量子點的比例。實驗中Zhao Yu等[33]為了保證量子點的穩(wěn)定性，對每個菌種都進行5倍稀釋水平的定量檢測，使量子點-抗體與病原菌的抗原結(jié)合位點充分反應，顯著提高檢測的靈敏度。Zhao Yu等[33]在2h內(nèi)可以檢測出食品樣品中20～50CFU/mL的細菌，檢測的線性范圍在10～103CFU/mL。

2.1.2 量子點應用于農(nóng)藥和化學殘留的檢測

食用農(nóng)藥超標的農(nóng)副產(chǎn)品可能引起人和動物的慢性中毒甚至導致急性中毒或死亡。因此，有效檢測食品中農(nóng)藥或化學殘留也是保證食品安全的重要部分。Ji Xiaojun等[34]通過CdSe/ZnS量子點與有機磷水解酶的作用，研制了一種新型量子點傳感器，可檢測對氧磷農(nóng)藥。Zhang Kui等[35]改進基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的量子點turn-on型傳感器，選擇性的檢測含P=S鍵的硫代磷酸酯型有機磷農(nóng)藥，檢測限低至0.1nmol/L。這種熒光增強型turn-on型傳感器由于光學背景低，因此能達到更低的檢出限，相對于猝滅型傳感器的較高熒光背景，靈敏性更高。Peng Chifang等[36]采用一種競爭性的熒光免疫檢測法同步檢測5種化學殘留。根據(jù)量子點在不同波長處的發(fā)光性質(zhì)定量測定5種化學物質(zhì)，最低檢測限為0.14μg/kg。實驗中的免疫交叉反應低于0.1%，表明了抗體間的高度特異性，分析原因可能是各種化學殘留的結(jié)構(gòu)相差較大，不易產(chǎn)生交聯(lián)反應。

2.1.3 重金屬殘留的檢測

重金屬如汞、銀、銅、鉛等對人體有極大的危害，能抑制人體化學酶的活動，使細胞質(zhì)中毒。量子點檢測金屬離子的原理都是利用量子點表面修飾的功能性基團與被分析物之間的相互作用，這種作用使量子點的熒光性增強或者產(chǎn)生熒光猝滅。Chen Yongfen等[37]發(fā)現(xiàn)以巰基甘油為穩(wěn)定劑的CdS量子點與Cu2+作用后發(fā)生熒光猝滅，而以L-半胱氨酸為穩(wěn)定劑的量子點與Zn2+作用后熒光增強，由此首次提出了以發(fā)光量子點為熒光探針選擇性檢測金屬陽離子的新方法。王柯敏等[38]則選用以巰基乙酸為穩(wěn)定劑合成的水溶性CdTe量子點檢測Cu2+，使檢測限降低到0.0045μmol/L。Liang Jiangong等[39]用巰基乙酸修飾的CdSe量子點，對Ag+檢測限為0.07μmol/L。而Wang Jianhao等[40]用變性蛋白BSA修飾量子點，檢測Ag+，檢測限達到0.01μmol/L，靈敏度提高了6倍。Chen Jinlong等[41]利用功能化的CdSe對Hg2+的親和性，實現(xiàn)了對Hg2+的測定，證明其特異性較好。

2.2 量子點應用于食品成分的分析檢測

食品是一種包含多種物質(zhì)成分的復雜基質(zhì)，檢測各種成分的含量，分析其吸收代謝機制對食品的品質(zhì)以及對于人體的利用價值都具有重要意義。利用生物大分子(如糖類、蛋白質(zhì)、酶)對量子點熒光性質(zhì)的改變，可建立以量子點為基礎的敏感性高、特異性強、響應速度快的檢測方法，而且利用量子點的多色性、優(yōu)異的光學性質(zhì)可以對多組分標記，及時監(jiān)測物質(zhì)的變化，從而探究營養(yǎng)物質(zhì)間的相互作用以及揭示這些物質(zhì)在吸收代謝中與人體細胞的作用機理，這將為改善食品品質(zhì)、提高營養(yǎng)價值提供理論依據(jù)。

2.2.1 糖類

葡萄糖的檢測是食品分析中的重要部分。近來很多研究者開始將以量子點為基礎的光學傳感體系應用于葡萄糖的檢測。Cavaliere-Jaricot[42]、Huang Chinping[43]等分別利用酶催化葡萄糖氧化產(chǎn)生過氧化氫和產(chǎn)酸變化對量子點熒光發(fā)射的猝滅作用來檢測葡萄糖。Duong等[44]用葡萄糖氧化酶和辣根過氧化酶對連接有巰基丙酸的量子點進行功能化處理，通過從量子點到酶促反應的熒光共振能量轉(zhuǎn)移使量子點發(fā)生猝滅來實現(xiàn)檢測，但是檢測靈敏度不高(0.1mmol/L)。Yuan Jipei等[45]建立了一種簡單靈敏的方法，用谷胱甘肽包裹的CdTe量子點完成葡萄糖與對應酶的識別檢測，最低檢測限達到0.1μmol/L。

2.2.2 蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是食品中最重要的營養(yǎng)物質(zhì)之一，研究不同蛋白質(zhì)之間的相互作用以及蛋白質(zhì)與其他物質(zhì)間的相互作用機理具有重要意義，基于量子點對蛋白質(zhì)相互作用的研究也從生物學、生物醫(yī)學向食品領域滲透。

Wang Shaopeng等[46]用量子點的共振能量轉(zhuǎn)移原理，進行蛋白-蛋白的特異性結(jié)合研究。而基于量子點自身與蛋白質(zhì)的相互作用對其熒光性的影響也可以用來檢測蛋白質(zhì)的含量。如Wang Jianhao等[47]檢測卵清蛋白和Tortiglione等[48]對牛血清白蛋白(BSA)進行的定量檢測。胡衛(wèi)平等[49]對比了CdS量子點熒光光度法與雙縮脲法對牛奶、蛋清中的蛋白質(zhì)測定，檢測結(jié)果基本一致。由于量子點與蛋白質(zhì)之間會發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，黃珊等[50]使用CdSe量子點，采用共振光散射法建立了簡單快速檢測溶菌酶的方法。Cai Zhaoxia等[51]運用量子點作為熒光探針，采用共振瑞利散射的方法檢測雞蛋蛋白中的溶菌酶，其檢測限為6.5×10-10g/mL，此方法相比于傳統(tǒng)的方法更加快速方便且靈敏度高。

3 結(jié) 論

隨著科學技術的不斷發(fā)展，食品分析檢測技術也在不斷發(fā)展、更新和完善，尤其是快速靈敏便捷的檢測技術才更能適應現(xiàn)代社會的快節(jié)奏。量子點作為近年來一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜔晒馓结槪云涮厥獾墓鈱W性質(zhì)在分析檢測中顯示出明顯的優(yōu)越性。基于量子點熒光特性建立生物傳感器(如多色熒光標記、結(jié)合磁性分離的同步檢測等)是提高檢測速度和效率的有效手段。同時，量子點熒光探針將促使生物傳感器的微型化發(fā)展，有望制備響應速度快、靈敏度高的試劑盒，充分發(fā)揮量子點分析檢測的優(yōu)勢。另外，基于量子點與食品中主要成分的相互作用產(chǎn)生的熒光特性變化，可對食品的主要成分進行檢測、標識和動態(tài)追蹤，探究這些物質(zhì)的作用機理，對人體所需營養(yǎng)物質(zhì)的代謝吸收具有重要意義?？傊孔狱c作為一種新型熒光探針將會在食品領域有著更廣泛的應用價值和發(fā)展前景。

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